На первый взгляд, вопрос, вынесенный в заголовок, имеет простой ответ. При равных условиях более крупное животное способно перемещаться быстрее мелких представителей фауны.
Так, суетливая мышь за единицу времени покроет меньшее расстояние по сравнению с кашалотом, слоном или хотя бы извечным врагом мышей — кошкой.
С другой стороны, самые высокие скорости движения принадлежат не самым крупным животным. Абсолютным рекордсменом скорости, вероятно, является стриж, который в воздухе на коротких участках развивает скорость до 200 км/час. В водной среде самым быстрым животным считается рыба-меч (150 км/час). На суше максимальную крейсерскую скорость демонстрирует опять же далеко не самое крупное животное — гепард (около 100 км/час). Перемещения животных в разных физических средах имеет свои особенности. Энергия мышечного сокращения в разной степени распределяется на преодоление сил земного притяжения, плотности среды, аэродинамического или гидродинамического сопротивления и само перемещение из точки А в точку В. Так, на суше значительное количество энергии расходуется на преодоление сил гравитации. В водной среде затраты на борьбу с гравитацией снижаются, но возрастает расход энергии на преодоление плотности среды. При полете появляется новая статья затрат энергии — создание подъемной силы. На высоких скоростях сдерживающим фактором выступает аэродинамическое сопротивление. Принимая во внимание специфику энергозатрат у животных в разных средах, неизбежен вывод о том, что скорость движения не может быть использована как объективная характеристика эффективности движения.
Более целесообразно сопоставление показателей относительной скорости локомоций в пределах одной среды, т. е. не в абсолютных показателях, а в расчете на единицу мышечной массы (или единицу линейного промера тела).
Поскольку при движении животного основным потребителем кислорода являются скелетные мышцы, то для решения поставленной задачи представляется целесообразным поискать корреляцию между размером тела животных и потреблением кислорода при локомоциях.
С. R. Taylor исследовал связь между массой тела и потреблением кислорода при движении у птиц и млекопитающих. Ученый пришел к выводу о том, что потребление кислорода возрастает пропорционально росту массы тела в степени 0,81. Более поздние измерения, выполненные на представителях 55 видов животных, позволили более точно сформулировать логарифмическую связь между исследованными показателями. Наклон линии данного уравнения составил величину 0,85.
Выведенное уравнение свидетельствует о том, что мощность мышц нарастает быстрее, чем потребление кислорода мышцами при локомоциях. Автор делает вывод о том, что в выборке животных с 10-кратной разницей в живой массе скорость бега может различаться в 10 раз.
Это результаты математических расчетов. А как выглядит это явление в реальной жизни? Практика подтверждает, что более крупные животные перемещаются с большей скоростью, чем мелкие. С ростом живой массы у животных уменьшается частота шагов (Ч = Мт-0,17).
Рассчитано, что длина шага наземных животных пропорциональна массе тела в степени 0,33. Таким образом, скорость движения может быть описана следующими уравнениями:
Скорость = длина шага х частота шагов
Скорость = Мт0’33Мт-0,17 Скорость = Мт0,17.
Следовательно, скорость движения наземных животных растет по мере увеличения живой массы в степени 0,17.
Локомоции животных ориентированы не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Большинство наземных животных совершают вертикальные локомоции, наиболее ярким проявлением которых является прыжок. Прыжок совершается за счет сокращения определенной группы мышц и ориентации вектора движения в направлении, противоположном действию силы гравитации. Выше было показано, что прыжок может представлять собой очень эффективную локомоцию и решать жизненно важные для животного задачи. Анализ прыжковых локомоций разных видов животных полезен для понимания зависимости поведенческих актов от массы тела животного.
Высота прыжка разных видов животных в условиях нашей планеты составляет на удивление константную величину — не более 1 м. Сравнение разных видов животных убеждает в том, что масса тела животных не оказывает существенного влияния на высоту вертикального перемещения. У блохи, жука, саранчи и человека высота прыжка с места составляет примерно одну и ту же величину — 30-60 см. В то же время мелкие животные при прыжке развивают ускорение, которое отличается на два порядка от ускорения крупных животных. Скажем, блоха при массе тела 0,5 мг развивает ускорение в 245 g, что в 164 раза больше ускорения человека при прыжке. Однако улететь в заоблачные дали при таком ускорении блохе не дает сопротивление воздуха. У мелкого насекомого 3/4 энергии ускорения уходит на преодоление сопротивления воздушной среды.
Очевиден вывод: масса тела не определяет высоту прыжка, но определяет его скорость. При вертикальном перемещении (прыжок) в отличие от горизонтальных локомоций скорость движения обратно пропорциональна массе тела.
Прыгучесть обезьянки галаго является исключением из этого правила. Это животное вообще некорректно ставить в один ряд с другими наземными животными. Галаго является, по всей видимости, единственным животным на Земле, у которого при массе тела в 200 г масса прыжковых мышц может превышать 10% от массы тела. У других животных масса прыжковых мышц составляет менее 5% от массы тела. Что же касается относительной силы мышц галаго, то она примерно такая же, как у других животных с более скромным прыжком.
Аналогичные закономерности выявлены и у водных животных. Существенным является то, что вода не составляет твердую основу. Однако в воде тело животного поддерживается самой средой. Это определенная выгода. В воздухе животное тратит энергию на создание подъемной силы, которая должна быть несколько больше массы тела. На суше животное преодолевает силу притяжения. Однако сопротивление среды пропорционально квадрату скорости. И этот факт может быть критическим в ограничении скорости движения в воде. Практические измерения свидетельствуют, что более крупное животное (например, в пределах семейства лососевых рыб), развивающее большую суммарную мощность, плавает с более высокой скоростью по сравнению с мелкими особями. Математически связь между массой тела (Мт) и потенциальной скоростью (V) перемещения в воде описывает уравнение регрессии:
V = kМт0,17.
У рыб скорость плавания хорошо согласуется и с длиной тела (L):
V = 19,5L0,50.
Анализ локомоций быстрых пловцов показывает, что для перемещения в воде нужна достаточно большая масса тела (объем мышечной ткани), относительно большая длина тела и обтекаемая форма.
Кроме того, для скоростного перемещения имеют значение и морфофункциональные свойства кожного покрова. Установлено, что скоростные способности дельфинов входят в противоречие с законами гидродинамики, если рассматривать дельфина как физическое тело. Грубая кожа дельфина отличается по своим характеристикам от поверхности абстрактного физического тела. Она имеет на удивление низкое значение коэффициента трения. Дельфин проявляет уникальную способность изменять поверхность своего тела таким образом, что оно (тело) эффективно использует турбулентные потоки. В результате явление турбулентности не сдерживает движение, как это имеет место в случае с неживым предметом в воде, а, наоборот, способствует движению дельфина.
Получается, что в водной среде локомоции животных не ограничиваются размерами их тела. Поэтому самые крупные представители современной фауны являются обитателями именно водной среды.
Перемещения в воздушной среде эффективны только в случае, когда масса животного невелика, но и достаточна для создания мощности, которая расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления. Посмотрим на царство животных глазами статистика. Воздушную среду захватили птицы и насекомые. Класс птиц насчитывает не более 9 тысяч видов, из которых многие не способны летать или летают плохо. Высокую скорость полета демонстрируют некрупные птицы. В целом все мелкие птицы и птицы средних размеров летают быстро.
Самая представительная по численности группа царства животных — это членистоногие. Из них 750 млн видов составляют крылатые насекомые (50-75% всего царства животных на Земле). Масса насекомых невелика. Но вариабельность массовых характеристик летающих насекомых сопоставима с вариабельностью массы тела наземных млекопитающих. Диапазон колебаний массы тела насекомых охватывает 6 порядков: от 25 мкг до 25 г.
Законы аэродинамики ограничивают массу тела летающих теплокровных животных коридором от 2 г до 13 кг. Максимальную массу тела имеет африканская дрофа — 13 кг. Но эта птица летает редко и плохо. Самая малая масса тела отмечается у колибри — 2 г. Полет колибри отличается чрезвычайно большими расходами энергии, т. е. также не является наиболее эффективным в сравнении с полетом птиц среднего размера. Предельно малое летающее животное на Земле — оса Encarsia sp. — имеет принципиально отличную от птиц систему обеспечения летательных мышц кислородом (трахейное дыхание). Даже предельно высокая частота мышечных сокращений (400 циклов за 1 с), распространенная у насекомых, у птиц не обеспечила бы должную скорость газообмена в мышцах. Поэтому наиболее эффективный как по скорости, так и по маневренности полет демонстрируют птицы средних размеров.
Таким образом, размеры тела животного можно рассматривать как фактор, лимитирующий локомоции животного и, следовательно, поведение животных в разных средах.